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HDMI 2.0 的 ESD 防护

电路保护

Anindita Bhattacharya

Anindita Bhattacharya

Principal Solutions Architect

HDMI 2.0 的 ESD 防护在持续的新冠疫情期间,我们大部分时间都被限制在家里,看各种屏幕的时间更多了。这包括参加在线会议、进行视频通话、玩电子游戏、看电视以及在电脑上工作更长时间。如今,高质量的视听 (AV) 体验必不可少。得益于高清数字显示器和高清多媒体接口 (HDMI),我们能够体验像素深度更高、纵横比更大、速度快、分辨率高的视听。

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HDMI 是一种数字接口,用于将高清、高速数字多轨音频和未压缩视频信号从 HDMI 兼容源传输到其他视听显示器。自 2002 年 HDMI 发布以来,它在消费电子产品中得到了广泛的应用。今天,HDMI 连接计算机、游戏机、蓝光/DVD 播放器、电视、投影机、家庭娱乐系统、显示监视器和许多其他视听设备。

HDMI 系统架构和引脚配置

HDMI 系统架构由一根电缆以及源端和接收端的连接器组成,如图 1 所示。高分辨率未压缩视频、音频和控制信号通过一根 HDMI 电缆传输。我们来分析一下系统架构中数据如何从源传输到接收器。

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图 1.HDMI 系统架构

The transition minimized differential signaling (TMDS) algorithm is used to transmit the video and audio signals from the transmitter to the receiver. This algorithm uses four differential pairs. Three of them are TMDS data channels and one is the TMDS clock channel. Each TMDS data channel is composed of data+, data- and data shield. The TMDS clock channel is composed of clock+, clock- and clock shield. TMDS channels are synchronized with reference to the clock channel.

显示数据通道 (DDC) 是 HDMI 兼容设备和源之间的双向通信协议,允许源读取外围设备的标识数据。它提供型号、序列号、长宽比等信息。DDC 总线基于内部集成电路 (I2C) 总线。它由串行时钟或 SCL、串行数据或 SDA 线以及接地连接组成。

The Consumer Electronics Control (CEC) is a bidirectional bus to control or connect other CEC-capable devices from one source. CEC contains a single wire and a ground that it shares with DDC and HEC.

+5V 电源线用于在未开启电源时为接收器的 DDC 总线供电。例如笔记本电脑通过 HDMI 连接器连接到投影机。即使投影机没有打开,+5V 电源线也会为投影机的 DDC 线供电。这样就便于通过笔记本电脑读取投影机的信息。

热插拔检测 (HPD) 和 HDMI 以太网通道 (HEC) 数据+ 引脚共用同一条线路。HPD 允许信号源检测是否有任何支持 HDMI 的设备在运行时连接或移除。HEC 用于设备之间的以太网兼容数据网络。

图 2. HDMI Type A 连接器的引脚配置

图 2. HDMI Type A 连接器的引脚配置

图 2 显示了标准 A 型 HDMI 连接器的引脚配置。它包含 19 个引脚,包括四个 TMDS 对和其他六个通道(+5V 电源、HPD、CEC、SDA、SCL、HEC),以实现数字数据转换。自 2002 年推出以来,HDMI 已发展出许多规格,但 HDMI 2.0 仍然是最受欢迎和使用最广泛的接口。

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HDMI 2.0 接口的 ESD 防护

HDMI 2.0 旨在通过显著增加带宽来增强观众的视听体验。TMDS 通道的最大带宽为 6Gbps。三个 TMDS 通道能够以每秒 60 帧的速度进行总计 18Gbps 的差分数据传输,分辨率高达 4K。它们可以传输多达两个视频流和多达四个音频流的数字数据。由于消费者期望不间断的视频并会频繁插拔 HDMI 连接器,因此 HDMI 接口的 EMC 稳健性至关重要。这些插拔操作可能导致高达数千伏的 ESD 事件,有可能损坏电路。TVS 二极管可在一纳秒内锁定系统级 ESD 峰值,转移数据端口的高电流,保护数据端口不受 ESD 威胁。

现在我们来探讨如何保护 HDMI 端口免受任何 ESD 事件的影响。图 2 所示为 HDMI A 型端口,其中 19 个引脚/通道可分为高速通道和非高速通道。高速通道包括 TMDS 通道(引脚 1-2-3;4-5-6;7-8-9)和 TMDS 时钟通道(引脚 10-11-12)。这些通道承载总计 18Gbps 的差分数据信号。

用于每个差分线的最大工作电压为 3.3V。由于这些是极高速的差分数据线,TVS 二极管需要在瞬态事件期间通过维持极低的线间电容来保护电路,同时确保信号完整性。由于 TVS 二极管和电路并联,在 ESD 事件期间,电路两端的压降与 TVS 二极管的钳位电压相同。保持尽可能小的钳位电压至关重要。因此,保护器件应包括低 ESD 峰值钳位电压和低动态电阻等特性。此外,可通过选择具有直通式路由封装的 TVS 器件来优化高速接口的信号完整性。这对于避免信号失真极为重要。

Semtech 的 RClamp®0574P 专为保护 HDMI 2.0 接口的高速差分线路而设计。它具有 0.18pF 的典型结电容,可保护四条高速数据线。它的工作电压为 5.5V,最小击穿电压为 6.5V。RClamp0574P 根据 IEC 61000-4-2 (ESD) 规范在 ±15kV(空气)和 ±10kV(接触)下提供瞬变保护。它的动态电阻为 0.26Ω(典型值)。RClamp0574P 采用 5 引脚 DFN 封装,标称尺寸为 2.0 x 1.0 x 0.5mm。由于一个 RClamp0574P 可以保护两个差分数据对,因此可以使用两个 RClamp0574P 来保护三个 TMDS 通道和一个 TMDS 时钟通道,如图 3 所示。该器件的流通式封装设计简化了 PCB 布局并有助于保持信号完整性。

接下来让我们看看如何保护其余六个低速通道。这些通道包括 CEC(引脚 13)、HEC(引脚 14、19)、SCL(引脚 15)、SDA(引脚 16)、+5V 电源(引脚 18)和 HPD(引脚 19)。这些通道也可以由 RClamp0574P 保护。但是,由于这些通道不传输高速数据,因此在瞬态事件期间,低电容对于它们的保护并不那么重要。为了保护这些通道,需要一个六通道 TVS 二极管阵列,其工作电压为 5V,响应时间快、钳位电压低,并且在瞬态事件期间不会出现器件退化。

Semtech 的 RClamp7538P 非常适合保护这六个通道。其工作电压为 5V,峰值脉冲电流为 5A。RClamp7538P 根据 IEC 61000-4-2 (ESD) 规范在 ±25kV(空气)和 ±20kV(接触)下提供瞬变保护。它具有 0.42Ω 的典型动态电阻。它采用尺寸为 3.8 x 1.0 x 0.5mm 的九通道 DFN 封装。封装设计还采用了最先进的直通式方案,使用该部件可简化 PCB 布局。请参考下图 3 的连接图。

图 3. HDMI 2.0 连接的可能 ESD 保护选项

图 3. HDMI 2.0 连接的可能 ESD 保护选项

总结与结论

充分保护 HDMI 端口免受所有 ESD 威胁,这一点至关重要。谁都不希望计算机显示器或家庭娱乐系统因 ESD 事件而损坏。Semtech 值得信赖的高效 TVS 产品为世界上许多最受欢迎的显示设备提供保护。这些解决方案是保护 HDMI 2.0 接口的理想选择——让消费者连接高保真视听设备并享受流畅、不间断的体验。

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